CN108130594A - 一种分阶段实时调控SiC晶体生长界面温度和温度梯度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种分阶段实时调控SiC晶体生长界面温度和温度梯度的方法，采用物理气相传输方法在装有晶体生长原料和籽晶的坩埚内生长碳化硅单晶，晶体生长过程中分阶段上移坩埚位置，在第一生长阶段，生长时长为t₁，保持坩埚位置不变，在第i生长阶段，生长时长t_i=i×t₁，且坩埚平均上移速率V _i ＜前一生长阶段坩埚平均上移速率V _i‑1 。

Description

一种分阶段实时调控SiC晶体生长界面温度和温度梯度的 方法

技术领域

本发明属于碳化硅材料领域，具体涉及一种基于物理气相传输法实时调控碳化硅晶体生长界面温度和温度梯度的方法。

背景技术

碳化硅(SiC)单晶材料具有禁带宽度大、热导率高、电子饱和漂移速率大、临界击穿电场高、介电常数低、化学稳定性好等优点，被认为是制造光电子器件、高频大功率器件、电力电子器件理想的半导体材料，在白光照明、光存储、屏幕显示、航天航空、高温辐射环境、石油勘探、自动化、雷达与通信、汽车电子化等方面有广泛应用。

目前生长SiC晶体最有效的方法是物理气相传输(PVT)法，首先在石墨坩埚的底部和顶部分别装入高纯原料和籽晶，在坩埚外部采用保温毡裹绕，然后在合适的温度(2000～2400℃)和压强下(5～40Torr)通过气相挥发生长碳化硅晶体，在生长SiC晶体过程中，石墨坩埚位置通常是不变的，随着生长时间的延长晶体厚度随之增加，晶体生长界面逐渐向高温区递进，导致晶体生长速率前后不一致。通过碳化硅晶体生长过程模拟软件(STR软件)模拟，发现在晶体生长过程中如果坩埚位置不变，随着生长过程的进行(即生长时间增加)晶体厚度逐渐增加，晶体生长界面的温度和温度梯度分别逐渐增加和减小(如图2中L0曲线所示)。碳化硅单一多型(如4H)的温度区间范围比较窄，一旦晶体生长界面温度增加到超过其单一多型的温度范围，就会导致4H、6H和15R等多型夹杂并且产生缺陷；另外，晶体生长界面处温度梯度也是影响晶体质量的重要因素，温度梯度减小后会导致原料挥发不充分，从而在生长界面产生多型夹杂和形成缺陷，其中半绝缘碳化硅晶体的单一多型对于温度和温度梯度更为敏感，因此，如何在晶体生长过程中实时调控生长界面处的温度和温度梯度对于制备单一多型高质量的碳化硅晶体至关重要。

尽管研究人员通过测温孔调节电流或功率可以实现晶体生长界面温度的调节，但该措施无法调控生长界面处的温度梯度。模拟结果表明在晶体生长过程中通过移动坩埚位置可以同步实现调节晶体生长界面的温度和温度梯度。然而，随着晶体厚度的增加，晶体生长界面温度和温度梯度的变化幅度完全不一样，比如温度梯度在生长前期下降较快，在生长后期则下降较慢，如果通过单一速率升高坩埚位置就无法精准的调控晶体生长界面的温度和温度梯度，尤其晶体生长后期坩埚位置上升速率过快容易扰动晶体生长界面，这同样不利于高质量碳化硅晶体的制备。

发明内容

针对上述PVT法SiC晶体生长过程中晶体生长界面温度和温度梯度分别逐渐增加和减小，导致晶体生长速率的不断变化，从而影响制备的晶体的质量问题。本发明的目的在于提供一种分阶段实时同步调控碳化硅晶体生长过程中生长界面温度和温度梯度的方法。

在此，本发明提供一种分阶段实时调控碳化硅晶体生长过程中生长界面温度和温度梯度的方法，

采用物理气相传输方法在装有晶体生长原料和籽晶的坩埚内生长碳化硅单晶，晶体生长过程中分阶段上移坩埚位置，

在第一生长阶段，生长时长为t₁，保持坩埚位置不变，

在第i生长阶段，生长时长t_i＝i×t₁，且坩埚平均上移速率V_i<前一生长阶段坩埚平均上移速率V_i-1。

根据本发明，可以有效调控晶体生长界面的温度和温度梯度，不仅有利于晶体单一多型的控制还可以有效抑制微管道等缺陷的产生，从而提高生长的碳化硅晶体的质量。

较佳地，t₁为5～15小时，优选为10小时。

较佳地，设生长的晶体厚度为h，生长总时间为t，则h/4t≤V_i≤h/t，优选为h/2t≤V_i≤h/[(2×n)×t_i]。

较佳地，总生长阶段数≥2，优选为≥4。

较佳地，生长的晶体的厚度大于10mm，优选为15～50mm，生长总时间大于50小时，优选为50～200小时。

较佳地，所述坩埚为石墨坩埚。

较佳地，所述坩埚外部采用保温毡包裹。

较佳地，通过坩埚底部的传递装置移动装有坩埚的保温桶或单独移动坩埚，或者通过上部机械装置移动籽晶盖位置来移动坩埚。

较佳地，所述物理气相传输方法的工艺参数包括：将晶体生长炉的真空度抽至1.0×10^-2Pa以下，充氩气至生长压强为5～40Torr，调节温度至2000～2400℃。

附图说明

图1是物理气相传输(PVT)法生长SiC晶体过程中坩埚位置上移的示意图；

图2SiC晶体生长界面中心处温度T(a)和温度梯度Grad_T_y(b)随生长时间t变化的模拟结果，其中L0表示生长过程中石墨坩埚位置不变，L1，L2和L3分别表示晶体生长过程中以不同速率升高坩埚位置；

图3.实施例与对比例生长的SiC晶体。

具体实施方式

以下结合附图和下述实施方式进一步说明本发明，应理解，附图及下述实施方式仅用于说明本发明，而非限制本发明。

图2中L1，L2，L3曲线分别表示晶体生长过程中以h/4t，h/3t，h/2t不同速率升高坩埚位置晶体生长界面的温度和温度梯度随生长时间变化的模拟结果，发现升高坩埚位置可以有效调控晶体生长界面的温度和温度梯度，不仅有利于晶体单一多型的控制还可以有效抑制微管道等缺陷的产生，从而提高生长的碳化硅晶体的质量。

本发明人依据上述模拟实验结果并结合晶体生长实物研究发现，采用物理气相传输制备碳化硅晶体时，在晶体生长过程中分多个阶段以不同的时长和速度上移坩埚，可以实现实时精准调控碳化硅晶体生长界面温度和温度梯度。

具体而言，在晶体生长过程中，上移坩埚，上移过程可分为n个阶段(n≥2)，每个阶段的时长不同，且平均上移速率不同，总生长阶段n所用总时间t结束后降温取出厚度为h的晶体。优选地，各阶段时长逐渐增加。考虑到随生长时间延长晶体生长速率越来越小，平均上移速率逐渐降低(第一阶段除外)。本发明中，生长的晶体的厚度h可大于10mm，优选为15～50mm，例如20mm。总时间t可大于50小时，优选为50～200小时。总生长阶段n优选为≥4，即分为4个以上阶段。

第一生长阶段为接种阶段至生长初始阶段，生长界面以稳定为主，因此优选为坩埚位置始终不变，即坩埚上移速率V₁＝0。第一生长阶段的时长t₁可为5～15小时，优选为10小时。

第二生长阶段坩埚位置以平均速率V₂上移，该阶段生长时长t₂可为2×t₁，优选20小时。即第二生长阶段的时间范围可为第t₁～t₁+(2×t₁)小时，例如第10小时～第30小时。该阶段坩埚上移优选平均速率V₂范围为h/2t～h/[(2×n)×t₂]。

在第i生长阶段(i指除第一阶段外的第任一阶段)，生长时长t_i＝i×t₁。即，该阶段生长时间为第t_i-1～t_i-1+(i×t₁)小时。坩埚平均上移速率V_i<前一生长阶段坩埚平均上移速率V_i-1。优选地，V_i范围为h/2t～h/[(2×n)×t_i]。

例如，第三生长阶段坩埚位置以平均速率V₃上移，该阶段的时长t₃＝3×t₁，优选为30小时。即第三生长阶段的时间范围可为第t₂～t₂+(3×t₁)小时，例如第30小时～第60小时。该阶段坩埚上移平均速率V₃<V₂。优选地，V₃范围为h/2t～h/[(2×n)×t₃]。

第四生长阶段坩埚位置以平均速率V₄上移，该阶段的时长t₄＝4×t₁，优选为40小时。即第四生长阶段的时间范围可为第t₃～t₃+(4×t₁)小时，例如第60小时～第100小时。该阶段坩埚上移平均速率V₄<V₃。优选地，V₄范围为h/2t～h/[(2×n)×t₄]。

第n生长阶段坩埚位置以平均速率V_n上移，V_n<V_n-1。该阶段生长时间t_n＝n×t₁，优选为n×10小时。即第n生长阶段的时间范围可为第t_n-1～t_n-1+(n×t₁)小时。该阶段坩埚上移优选平均速率V_n范围为h/2t～h/[(2×n)×t_n]。

在每个阶段，坩埚可以匀速上升，也可以非匀速上升。

应理解，当第n生长的阶段(最后一阶段)的生长时长t_n以n×t₁计算超过总时长t时，第n生长的阶段实际生长时长以总时长为截止。而计算平均速率V_n时所用的t_n仍可以n×t₁计。

图1示出物理气相传输(PVT)法生长SiC晶体过程中坩埚位置上移的示意图。本发明可利用物理气相传输方法在高温下在籽晶表面沉积生长碳化硅单晶。一个示例中，将晶体生长炉的真空度抽至1.0×10^-2Pa以下，充氩气至生长压强为5～40Torr，调节温度至2000～2400℃。将晶体生长原料和籽晶放入坩埚。例如，将晶体生长原料置于坩埚底部高温区，将籽晶坩埚顶部低温区。坩埚可采用石墨坩埚等。坩埚外部可采用保温毡裹绕。可以将坩埚放置在晶体生长炉的传递装置(参见现有技术文献CN101928982A)上以移动坩埚。另外，可以移动装有坩埚的保温桶或单独移动坩埚，还可以通过上部机械装置移动籽晶盖位置来调控生长界面温度和温度梯度。

本发明的晶体生长过程中分阶段移动坩埚位置来实时同步调控晶体生长界面温度和温度梯度的方法，不仅可以避免晶体出现多型夹杂缺陷，而且可以抑制晶体微管道等缺陷的产生，有效提高制备的SiC晶体的质量。

下面进一步例举实施例以详细说明本发明。同样应理解，以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。下述示例具体的工艺参数等也仅是合适范围中的一个示例，即本领域技术人员可以通过本文的说明做合适的范围内选择，而并非要限定于下文示例的具体数值。下列实施例中未注明具体条件的试验方法，通常按照常规条件，或按照制造厂商所建议的条件。

实施例1

首先将上部粘有籽晶的石墨盖，底部料区装有碳化硅原料的石墨坩埚置于保温碳毡中，然后放置在晶体生长炉的传递装置上，真空度抽至1.0×10^-2Pa以下，充氩气至生长压强14Torr，开始升温至生长温度2120℃，以制备出晶体厚度为20mm所用生长总时间为100h共分四阶段进行调控为例，第一生长阶段为接种阶段至生长初始阶段，考虑此阶段晶体生长界面以稳定为主，在生长时间t₁＝10h以内坩埚位置始终不变即V₁＝0；第二生长阶段，在生长时间t₂＝20h即第10h至30h以内通过传递装置将坩埚位置以平均速率V₂＝0.1mm/h上移；第三生长阶段，在生长时间t₃＝30h即第30h至60h以内将坩埚位置以平均速率V₃＝0.08mm/h上移；第四生长阶段，在生长时间t₄＝40h即第60h至100h以内将坩埚位置以平均速率V₄＝0.06mm/h上移；在完成四个阶段生长所用总时间100h后降温取出厚度为20mm的碳化硅晶体。

图3中的(a)为实施例1制备的晶体，表面光亮，无多型夹杂缺陷。

实施例2

首先将上部粘有籽晶的石墨盖，底部料区装有碳化硅原料的石墨坩埚置于保温碳毡中，然后放置在晶体生长炉的传递装置上，真空度抽至1.0×10^-2Pa以下，充氩气至生长压强10Torr，开始升温至生长温度2080℃，以制备出晶体厚度为20mm所用生长总时间为140h共分四阶段进行调控为例，第一生长阶段为接种阶段至生长初始阶段，考虑此阶段晶体生长界面以稳定为主，在生长时间t₁＝10h以内坩埚位置始终不变即V₁＝0；第二生长阶段，在生长时间t₂＝20h即第10h至30h以内通过传递装置将坩埚位置以平均速率V₂＝0.1mm/h上移；第三生长阶段，在生长时间t₃＝30h即第30h至60h以内将坩埚位置以平均速率V₃＝0.06mm/h上移；第四生长阶段，在生长时间t₄＝40h即第60h至100h以内将坩埚位置以平均速率V₄＝0.05mm/h上移；第五生长阶段，在生长时间t₅＝40h即第100h至140h以内将坩埚位置以平均速率V₅＝0.04mm/h(计算V₅时以t₅＝5×10h即50h来计算)上移；在完成四个阶段生长所用总时间140h后降温取出厚度为20mm的碳化硅晶体。

图3中的(b)为实施例2制备的晶体，表面光亮，无多型夹杂缺陷。

对比例1

首先将上部粘有籽晶的石墨盖，底部料区装有碳化硅原料的石墨坩埚置于保温碳毡中，然后放置在晶体生长炉的传递装置上，真空度抽至1.0×10^-2Pa以下，充氩气至生长压强10Torr，开始升温至生长温度2080℃，生长过程中不移动坩埚，所用生长总时间为140h。生长完成后降温取出厚度为23mm的碳化硅晶体。

图3中的(c)为对比例1制备的晶体，表面明显多型夹杂，拉丝缺陷较多。

Claims (9)

1.一种分阶段实时调控碳化硅晶体生长过程中生长界面温度和温度梯度的方法，其特征在于，

采用物理气相传输方法在装有晶体生长原料和籽晶的坩埚内生长碳化硅单晶，晶体生长过程中分阶段上移坩埚位置，

在第一生长阶段，生长时长为t₁，保持坩埚位置不变，

在第i生长阶段，生长时长t_i=i×t₁，且坩埚平均上移速率V _i ＜前一生长阶段坩埚平均上移速率V _i-1 。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，t₁为5～15小时，优选为10小时。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，设生长的晶体厚度为h，总生长阶段数为n，生长总时间为t，则h/4t ≤ V _i ≤h/t，优选为h/2t ≤ V _i ≤ h/[(2×n)×t_i)]。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，总生长阶段数≥2，优选为≥4。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，生长的晶体的厚度大于10mm，优选为15～50mm，生长总时间大于50小时，优选为50～200小时。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，所述坩埚为石墨坩埚。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，所述坩埚外部采用保温毡包裹。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其特征在于，通过坩埚底部的传递装置移动装有坩埚的保温桶或单独移动坩埚，或者通过上部机械装置移动籽晶盖位置来移动坩埚。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其特征在于，所述物理气相传输方法的工艺参数包括：将晶体生长炉的真空度抽至1.0×10^-2 Pa以下，充氩气至生长压强为5～40Torr，调节温度至2000～2400℃。